光电探测器前置放大电路设计与研究

收稿日期:2009-12-07

基金项目:光电系统信息控制技术国家级重点实验室基金(9140C150101090C1502)作者简介:胡涛(1979-),男,工程师,主要研究方向为模拟信号检测、数字信号处理.

#电路与控制#

光电探测器前置放大电路设计与研究

胡 涛,司汉英

(光电系统信息控制技术国家级重点实验室,河北 三河 065201)

摘 要:光电探测器前置放大电路设计的好坏直接影响到整个系统的探测精度.介绍了光电探测器前置放大电路的设计与研究,主要阐述了光电转换电路、放大电路带宽、放大电路噪声、放大电路稳定性以及其他一些需要注意的问题,并设计了一种能够有效降低噪声和温飘,具有大的动态输入范围的放大电路.

关键词:光电探测器;前置放大;光电转换;带宽;噪声;稳定性

中图分类号:TN 215;TN 721 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2010)01-0052-04

Design and Research of Pre -amplifier Circuit from a Photoelectric Detector

HU Tao,SI H an -ying

(N ational L abor atory of Electro -Op tics Sy stem T echnology ,Sanhe 065201,China)

Abstract:T he design of the pre -amplifier circuit of photoelectric detector systems can directly affect the de -tecting precision of the w hole systems.T he design of pre -am plifier circuit from a photoelectric detector was in -troduced.The photoelectric conversion circuit,amplifier circuit bandwidth,amplifier circuit noise,amplifier cir -cuit stabilization and other questions w ere mainly discussed,and an am plifier circuit capable of effectively decreas -ing the noise,the temperature drift and w ith a larg e dynamic range w as designed. Key words:photoelectric detector;pre -amplifier;electro -optic conversion;bandw idth;noise;stabilization 前置放大电路是把接收到的光信号转换成电信号,并对电信号进行放大,再与后面的信号处理系统对接.前置放大电路在整个光电探测系统中是非常重要的,它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏.在前置放大电路中,光信号和电信号要受到很多噪声的干扰.由于接收的光信号和转换后的电信号通常都比较微弱,很容易淹没在各种噪声中,所以在设计前置放大电路时,要尽量减小噪声,提高系统的信噪比,但是提高信噪比将会使频率特性变差,所以在设计电路时,要二者兼顾考虑.

运算放大器(operational am plifier)是将模拟信号放大的器件,它的应用范围极广,包括DC 放大、音频放大、视频放大、有源滤波器、模拟运算、信号变换等[1],可以说它是整个电路设计的基础.在为光

电探测器设计前置放大器电路时,必须知道如何选

定适当的运算放大器技术规格,来满足探测系统的设计要求.

1 前置放大电路设计

1.1 光电转换电路

PIN 光电二极管的PN 结中间设置了一层掺杂浓度很低的本征半导体,形成P-I-N 结构,本征层的引入加大了耗尽层区的厚度,并形成强电场区.由于入射光子只能在本征层内被吸收,光生载流子在强电场作用下加速运动至N 层,因此载流子渡越时间非常短,同时,耗尽层的加宽使结电容明显减

第25卷第1期

2010年2月

光电技术应用

EL ECT RO-O PT IC T ECHNOL OGY APPL ICAT I ON

Vol.25,No.1Februar y.2010

小,提高了响应速度[2].图1是一个标准的电流)电压转换电路,输出电压V out =I s @R.此电路的-3dB 频带宽度f c 可表示为

f c =1

2P #C s #R

(1)

式中,C s 为PIN 管极间分布电容和电阻R 的分布电容以及导线分布电容之和

.

图1 电流)电压转换电路

假如R =508,C s =5pF,就得到f c =640MH z,但这个数值仅适合于信号电流比较大的时候,一旦信号电流变小,例如I =10L A 时,仅有V out =500L V 的信号输出,这时如果仍然期望高的信噪比将难以实现.因此,要想改善信噪比,必须加大电阻R 的值.如果增大R 到100k 8,则V out =1V,信噪比肯定提高,作为交换条件,频带宽度f c 变成了320kHz,频率特性变差.所以,合理地选择PIN 管和电阻R 的阻值对于系统设计是非常重要的.

1.2 放大电路的带宽

光电探测器不仅要提高信噪比,还要保持激光脉冲信号的波形,因此要考虑通过信号的高频分量,要求带宽更宽.激光脉冲为高斯脉冲,是类矩形脉冲,放大器对类矩形脉冲的响应与放大器带宽有关.图2中,$f 为放大器的-3dB 带宽,S 为光电转换电路的上升时间.可以发现,脉冲宽度越窄,要求放大器的带宽越宽,否则矩形脉冲将被展宽,幅值也会下降.同时由于输出功率与噪声功率均线性增加,存在一个最佳带宽,使得信噪比最大.对于矩形脉冲若满足$f S =0.5的条件,输出的脉冲峰值功率和噪声功率比最大,可以获得最大的信噪比[3].

电路带宽选择的目的就是保持信号频谱中绝大部分能量通过,而牺牲能量较低的高频分量.设定光电转换电路的上升时间为5ns,同时考虑光电转换电路的时域特性,可以得出放大器-3dB 带宽应该在100MHz,这样才能与探测器的性能合理匹配

.

图2 矩形脉冲通过给定带宽网络后的波形

但运算放大器数据表中提供的-3dB 带宽是指当输出电压比较小,约为0.1VRMS 时测定的带宽,通常运算放大器很少只在输出振幅为小信号的范围内使用,一旦信号很大的时候,将对压摆率影响很

大.如果考虑最大输出时的频率,就需要用到最大功率带宽

f FP =

SR P V p -p

(2)

式中,SR 为压摆率;V p -p 为输出振幅峰峰值.

例如:AD8001的压摆率SR =1200V/L s,输出V p -p =2V 时,最大功率带宽为190MH z,而AD8001的小信号时的-3dB 带宽f -3dB

=

880MH z,可以看出f -3dB 和f FP 差别很大.高频电路需要数伏电压的输出和数百兆赫兹频率的输出是非常困难的,所以,在设计高速电路时最好不要使振幅过大.

对于电压反馈型的运算放大电路,另一个需要考虑的参数是增益带宽积GB W .开环电压增益的倾斜以-6dB/oct 衰减时,测得的电压增益为A f 倍,该点的频率与电压增益A f 两者相乘的结果为定值增益频宽积GB W ,可表示为

GB W =A f @f

(3)

式中,A f 为电压增益;f 为频率.

虽然GBW 值越大越好,不过GB W 值较大的运算放大器其他功能普遍偏弱.在满足带宽要求的前提下,高输入阻抗、高共模抑制比、低输入偏置、低噪声是主要的设计选型因素.1.3 放大电路的噪声

放大电路的噪声主要由光电探测器噪声和放大器件噪声两部分组成.

(1)光电探测器噪声

光电探测器中存在的噪声主要有热噪声、散粒噪声、复合噪声、温度噪声和1/f 噪声等,一般光电器件中主要的内部噪声是热噪声和散粒噪声.

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第1期 胡涛等:光电探测器前置放大电路设计与研究